建筑结构概念设计方法浅析

王 一 蒋芝桂

（贵阳市建筑设计院有限公司 贵州贵阳 550081）

引言

随着我国经济建设和全国城市化步伐的飞速发展，各类城市建设工程正在大量兴建，这些反映着当前经济、文化和信息特征的现代建筑相对于以往的传统建筑，除了建筑高度和跨度的不断增加外，还有新型结构体系和新型材料的不断出现和应用，以满足人们对建筑功能性、舒适性、美观性和可持续性的更高要求。而人们对现代化建筑的这些需求，都必须建立在建筑结构安全的基础上。因此，在这些现代建筑的设计工作中，结构工程师不得不面临各种传统技术上的困难，这就要求结构工程师必须具有不断创新和挑战的精神，从整体上把握美学以及可持续发展的观点，并且也要根据力学理论和体系构建的整体内容，以把握结构的分解和集成，把复杂的大型整体结构简化，使其成为简单的三维整体结构或者二维平面子结构，甚至成为一维线性或非线性构件，还要使这些结构构件满足跨度、空间等不同建筑的要求，以及有可实施性的结构形式。

1 建筑结构概念设计的意义

目前，我国在建筑结构设计中主要运用极限状态的设计方法，该方法的基础是概率论。衡量结构可靠度是以结构的失效概率或可靠指标，该设计方法对荷载和材料强度的标准值分别以数理统计方法取值，其设计式是用荷载、材料特性以及物理参数的各种分项系数，并结合结构重要性系数以表示的，这些系数都是结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率。对构件的设计来讲，确实要比容许应力法更为接近实际，但问题仍然是很难算出建筑结构的真正承载能力。实际的建筑结构都是一种整体的三维结构，所有的构件都以相当复杂的方式在共同协调作用，并非是脱离总结构体系的独立构件。

由此可见，结构设计没有唯一正确的解决方案，只有相对满意的解决方案。同时也说明了在结构设计过程中需要估算材料特性、近似分析结构模型、估计可能发生的各种外部荷载、保证结构的安全和满足使用功能的要求。这也说明结构设计从建筑方案设计到初步设计以及最后的详图设计实际上都是一种“概念设计”，概念设计不仅在前期的方案设计中起重要作用，对初步设计和详图设计也有重要的指导作用。因此，对结构工程师以及建筑师来说，学习结构设计中的概念和体系特点有十分重要的意义。传统的建筑结构设计体制过分强调结构的细节设计和精确的力学分析，而忽略结构的整体力学概念和结构体系的应用，在这种体制下，工程师在结构设计的早期阶段不能发挥作用，即使在结构后期的设计中也不能抓住问题的关键。在现代结构设计中，要求设计师在结构设计的早期就能够提出好的结构体系和结构概念，从而保证结构整体设计方案的可行性，使建筑方案更为完美，使建筑造价更为节省，从而达到力学和美学表达以及可持续发展的总体要求。

2 贯穿全过程的概念设计方法

工程项目的所有设计阶段时期，结构工程师和建筑师要紧密沟通协作，根据结构自身的结构体系和受力情况、变形情况，并实地考察建筑物所处的地理位置、环境条件、施工条件与投入等因素，通过探索、比较、反馈和优化，以找到合理的方案。要实现一个建筑物的全面设计，至少应有三个反馈、优化的阶段：方案设计阶段、初步设计阶段和施工图设计阶段。

在方案设计阶段，结构工程师应凭借自身的工程设计理念、经验、判断力和创造力，用概念设计去帮助建筑师开拓或实现业主对建筑的需求，或已初步构思的空间形式及其使用、构造与形象功能。并以此为统一目标，与建筑师一起构思总结构体系，以避免基本思路受到无数具体细节问题的干扰，而且在构思结构总体系时就能考虑到材料、施工的可行性与经济性，这样的构思易于反馈和优化，以便于改进或开拓建筑设计方案。

在初步设计阶段，设计的重点已转移到如何精心去改善已构思拟定的设计方案上，也即已转移到分体系具体方案的设计上，确定分体系及其相关构件的几何尺寸与截面特征和相互之间的关系，经过近似计算以后再考核该设计方案的可行性。初步设计阶段所进行的完善措施一定要反馈回去，进一步完善总体方案。

在施工图纸的设计阶段，如果不同专业的设计人员和业主都对前期的设计优化方案的可行性表示认可，则全部设计的基本问题都已解决，只需要进行构件截面设计和节点构造处理等细部设计工作。也就是说，只要方案设计和初步设计做得深入、透彻，则施工图设计阶段就不会再引起较大的反复，因为整个设计过程是一个循序渐进的发展过程。

3 概念设计中应重视的基本原则

概念设计的宗旨就是在特定的空间形式、功能和地理环境条件下，以结构工程师自身确定的理想承载力、刚度和延性为主导目标，用整体构思来设计各部分有机相连的结构总体系，并能有意识地利用和发挥结构总体系和主要分体系以及分体系与构件之间的最佳受力特征与协调关系。基于上述基本理念，笔者总结了结构概念设计中应重视的一些基本原则，以便于概念设计方法更良好的应用。

（1）采用具有多道抗震防线的结构框架。由两种受力和变形性能不同的超静定抗侧力结构组成的双重抗侧立框架，其抗侧力结构都能够有合格的刚度和承载力，能够承受部分的水平荷载，并由楼板之间的连接进行协作，共同抵抗外力。在地震作用下，如果有一部分损伤时，另一部分可以提供足够的刚度和承载力，损伤部分还能够担当一部分的抗震作用，甚至可以独自抵抗地震。在抗震结构中设计双重抗侧力体系可以实现多道设防，是安全而可靠的抗震结构体系。

（2）采用刚柔并济的结构布置方案。设计高层建筑结构考虑抗风和抗震要求的出发点往往是相互矛盾的，刚度大的结构对抗风荷载有利，反之，较柔的结构抗震性能好：①地震作用小；②可以避免与地震运动共振，这样就不会产生过大的应力。所以要设计一个抗风和抗震性能都很好的高层建筑结构必须要刚柔并济，在矛盾中寻求一个合理的平衡点。

（3）应将复杂转变为容易。将结构的受力与传力路径设计的越简单、越明确就越好。

最大限度地防范出现以抗扭为主的重要传力构件，传力路径越复杂就越易形成内力与变形的不协调和难以预料的薄弱环节。在进行结构分析的时候，也需要应用最简单、最直接的计算方法，切忌使用那些含糊不清的概念，系数繁琐的计算方法。

（4）布置结构平面时应尽量使结构的刚度中心和建筑物的质量中心或建筑物的表面风力作用中心靠近，最好重合，消除在风荷载或地震波影响下产生的扭转效应和其相应的破坏风险。

（5）结构抗侧力构件沿建筑物竖向的变化应尽量均匀、连续，以防发生层刚度、层间位移、内力及其传力途径的突变。如因建筑空间的结构或实用功能的要求而必须出现结构竖向不规则变化时，应有效地协调上下部结构之间剪切刚度、弯曲刚度和轴压刚度的平稳过渡。

（6）应重视上部结构与其支承结构整体共同作用的机理，即传力者和受力者共同抗力的概念。例如，上部结构与地基基础的协同设计，在基础设计时应考虑上部结构刚度，而在上部结构设计时，也应合理考虑基础刚度的影响，因为实际的建筑物都是一种整体的三维空间结构，所有的结构构件都以相当复杂的方式在共同协调工作，而都不是脱离总结构体系的孤立构件。

（7）对于高层建筑，应尽可能加大竖向抗侧力构件的抗倾覆力臂有效宽度，也就是尽可能的将竖向构件设置在结构平面的最外边缘，这可有效减少因抵抗侧向水平力所需增加的材料用量。反之，如果增加的材料用量越多，建筑物的质量就会越大，地震作用下的惯性力就会变得更加厉害，从而使建筑的抗震设计更加严峻。因此，遵循能有效增大高层建筑抵抗侧向力的能力，而不需增加更多成本的基本理念是十分有必要的。

4 结语

结构工程师不仅仅靠工程结构设计作为一个生活的手段，也能够留给后人一些示范。人不是天生就有概念、判断力和创造力的，这都是在每一个工程的概念设计中，通过自身的不断思考、比较、总结才能逐渐积累和充实的。所以我们应该珍惜每一次的设计机遇，无论项目规模是大是小，无论设计条件是简单还是复杂，都是一个完整的有机结构，都应激发自我挑战和创造的欲望。在每一个工程项目设计的开始，结构工程师应善解建筑师的心意和业主的需求，不但不能拿所谓的条条框框，一个劲地摇头来阻止或束缚建筑师所追求的梦想，而应反过来主动去帮助建筑师开拓更令人兴奋的空间形式和三大功能。可以说，结构工程师的创造力和创新才是对建筑师、业主和该项目设计的最大贡献。

[1]黄真，林少培.现代结构设计的概念与方法[M].北京：中国建筑工业出版社，2009.

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